Міні – проект
на тему:
« Біомедичні фотонні датчики на основі оптичних волокон »
Підготував
студент групи ФеМм-12
Коваль Андрій
Вступ
Оптичне волокно широко використовується в медичній сфері діагностики та лікування. Оскільки ОВ можуть бути дуже тонкими і можуть бути звиті в гнучкі нитки, вони можуть бути використані для досліджень кровоносних судин, легенів та інших частин тіла. Оптичні волокна дозволяють медикам проводити візуальний аналіз і лікування різних захворювань через крихітні надрізи за допомогою інструменту під назвою ендоскоп (де пучок першого оптичного волокна використовується для проектування світла на ділянки тканини, а друге оптичне волокно передає відбите світло від тканин, й дозволяє тим самим отримати чітке зображення на екрані монітору. Слід зауважити, що діагностичні та лікувальні можливості в різних сферах медицини значно розширились при впровадженні в клінічну практику ендоскопічних методів дослідження. Ендоскопи - це універсальні прибори призначені для візуальної діагностики важкодоступних зон та областей. Вони використовуються для вивчення конкретних областей людського тіла . Ще один метод досліджень, при якому використовуються оптичні волокна, що одержав широке поширення для лікування різних захворювань є артроскопія. При цьому методі використовується прилад під назвою артроскоп. Цей інструмент являє собою прямий циліндр з серією лінз і оптичних призм, які вводять в розріз шириною від двох до п'яти міліметрів, безпосередньо в суглоб. Артроскоп використовується для діагностики суглобів в організмі, де ОВ можуть бути використані для вимірювання температури та інших параметрів організму, а також при виконанні хірургічних операцій. Крім того, ОВ широко використовуються для дослідження і лікування серцево-судинної системи. Також успішно застосовується ОВ для прямого інтенсивного лазерного випромінювання на рану , для зупинки кровотеч або спалення аномальних тканин.
У волоконно-оптичних датчиках оптичне волокно може бути застосоване просто як лінія передачі, а може відігравати роль самого чуттєвого елемента датчика. В останньому випадку використовуються чутливість волокна до електричного поля (ефект Керра), магнітного полю (ефект Фарадея), до вібрації, температури, тиску, деформаціям (наприклад, до вигину). Багато з цих ефектів в оптичних системах зв'язку оцінюються як недоліки, у датчиках же їхня поява вважається скоріше перевагою, яку варто розвивати.
В той же час, останні досягнення в мінімально інвазивній хірургії потребують менших розмірів катетерів й одноразових зондів. Ендоскопічні прилади добре знайомі, але внутрішні фізичні характеристики оптичних волокон, надають їм неймовірну привабливість для біомедичного зондування. Некаліброване волокно (зазвичай діаметру менше 250 мкм) може бути встромлено безпосередньо до підшкірних голок й катетерів, так що їх використання може бути як мінімально інвазійним, так й сильно локалізованим. Волоконо-оптичні датчики (ВОД), зроблені таким чином можуть виконувати багатоточкове й багато параметричне дистанційне зондування.
Оптичні волокна нейтральні до електромагнітих перешкод, хімічно інертні, детоксичні і вибухобезпечні. Їх використання не будуть створювати перешкоди в електроніці, яка знаходиться у медичних установах. Й, найголовніше, інертність волокон до електромагнітних й радіохвильових сигналів робить їх ідеальними для використання в режимі реального часу підчас діагностичної візуалізації з МРТ, КТ та ін. А також при тепловому апеляційному лікуванні з участю радіохвиль чи СВЧ– випромінюванням.
Сенсори на основі оптичних
хвильоводів із фотонно - кристалічною структурою
Сенсор на основі оптичних хвилеводів – це датчик фізичних величин, в конструкції якого як чутливий елемент і середовище, що передає оптичне випромінювання, використовують оптичний хвилевод. Чутливий елемент сенсора перетворює певну фізичну дію в зміну властивостей випромінювання, яке пройшло, відбилося або розсіялося.
За принципом дії хвилеводні сенсори можна розділити на групи відповідно до того, який параметр оптичної хвилі вимірюється для отримання інформації про фізичну дію: інтенсивність, фаза, стан поляризації, спектральний або модовий склад випромінювання.
На сьогодні волоконні світловоди з одновимірною або двовимірною фотонно-кристалічною структурою розглядаються як один з найбільш перспективних чутливих елементів волоконно-оптичних датчиків фізичних величин. До їх основних переваг можна віднести захищеність від дії електромагнітних полів, високу чутливість, надійність, відтворюваність і широкий динамічний діапазон вимірювань; можливість спектрального і просторового мультиплексування чутливих елементів, розташованих в одному або в кількох світловодах, значну відстань до місця проведення вимірювань, малий час відгуку на зміну вимірюваної величини, високу корозійну і радіаційну стійкість, малі габарити і масу.
Резонансна довжина хвилі брегівських граток γBGзалежить від температури світловода і від прикладених до нього механічних напруг розтягування та стискання. Ця залежність описується наступним рівнянням:
де ΔT – зміна температури; ε – прикладена механічна напруга; pij – коефіцієнти пружно-оптичного тензора; ν – коефіцієнт Пуассона; а – коефіцієнт теплового розширення кварцового скла; n – ефективний показник заломлення основної моди. Це співвідношення дає типові значення γBGзалежно від температури
0,01нм/К і відносного видовження світловода
103ΔL / L (нм).Міні – проект
на тему:
« Біомедичні фотонні датчики на основі оптичних волокон »
Підготував
студент групи ФеМм-12
Коваль Андрій
Вступ
Оптичне волокно широко використовується в медичній сфері діагностики та лікування. Оскільки ОВ можуть бути дуже тонкими і можуть бути звиті в гнучкі нитки, вони можуть бути використані для досліджень кровоносних судин, легенів та інших частин тіла. Оптичні волокна дозволяють медикам проводити візуальний аналіз і лікування різних захворювань через крихітні надрізи за допомогою інструменту під назвою ендоскоп (де пучок першого оптичного волокна використовується для проектування світла на ділянки тканини, а друге оптичне волокно передає відбите світло від тканин, й дозволяє тим самим отримати чітке зображення на екрані монітору. Слід зауважити, що діагностичні та лікувальні можливості в різних сферах медицини значно розширились при впровадженні в клінічну практику ендоскопічних методів дослідження. Ендоскопи - це універсальні прибори призначені для візуальної діагностики важкодоступних зон та областей. Вони використовуються для вивчення конкретних областей людського тіла . Ще один метод досліджень, при якому використовуються оптичні волокна, що одержав широке поширення для лікування різних захворювань є артроскопія. При цьому методі використовується прилад під назвою артроскоп. Цей інструмент являє собою прямий циліндр з серією лінз і оптичних призм, які вводять в розріз шириною від двох до п'яти міліметрів, безпосередньо в суглоб. Артроскоп використовується для діагностики суглобів в організмі, де ОВ можуть бути використані для вимірювання температури та інших параметрів організму, а також при виконанні хірургічних операцій. Крім того, ОВ широко використовуються для дослідження і лікування серцево-судинної системи. Також успішно застосовується ОВ для прямого інтенсивного лазерного випромінювання на рану , для зупинки кровотеч або спалення аномальних тканин.
У волоконно-оптичних датчиках оптичне волокно може бути застосоване просто як лінія передачі, а може відігравати роль самого чуттєвого елемента датчика. В останньому випадку використовуються чутливість волокна до електричного поля (ефект Керра), магнітного полю (ефект Фарадея), до вібрації, температури, тиску, деформаціям (наприклад, до вигину). Багато з цих ефектів в оптичних системах зв'язку оцінюються як недоліки, у датчиках же їхня поява вважається скоріше перевагою, яку варто розвивати.
В той же час, останні досягнення в мінімально інвазивній хірургії потребують менших розмірів катетерів й одноразових зондів. Ендоскопічні прилади добре знайомі, але внутрішні фізичні характеристики оптичних волокон, надають їм неймовірну привабливість для біомедичного зондування. Некаліброване волокно (зазвичай діаметру менше 250 мкм) може бути встромлено безпосередньо до підшкірних голок й катетерів, так що їх використання може бути як мінімально інвазійним, так й сильно локалізованим. Волоконо-оптичні датчики (ВОД), зроблені таким чином можуть виконувати багатоточкове й багато параметричне дистанційне зондування.
Оптичні волокна нейтральні до електромагнітих перешкод, хімічно інертні, детоксичні і вибухобезпечні. Їх використання не будуть створювати перешкоди в електроніці, яка знаходиться у медичних установах. Й, найголовніше, інертність волокон до електромагнітних й радіохвильових сигналів робить їх ідеальними для використання в режимі реального часу підчас діагностичної візуалізації з МРТ, КТ та ін. А також при тепловому апеляційному лікуванні з участю радіохвиль чи СВЧ– випромінюванням.
Сенсори на основі оптичних
хвильоводів із фотонно - кристалічною структурою
Сенсор на основі оптичних хвилеводів – це датчик фізичних величин, в конструкції якого як чутливий елемент і середовище, що передає оптичне випромінювання, використовують оптичний хвилевод. Чутливий елемент сенсора перетворює певну фізичну дію в зміну властивостей випромінювання, яке пройшло, відбилося або розсіялося.
За принципом дії хвилеводні сенсори можна розділити на групи відповідно до того, який параметр оптичної хвилі вимірюється для отримання інформації про фізичну дію: інтенсивність, фаза, стан поляризації, спектральний або модовий склад випромінювання.
На сьогодні волоконні світловоди з одновимірною або двовимірною фотонно-кристалічною структурою розглядаються як один з найбільш перспективних чутливих елементів волоконно-оптичних датчиків фізичних величин. До їх основних переваг можна віднести захищеність від дії електромагнітних полів, високу чутливість, надійність, відтворюваність і широкий динамічний діапазон вимірювань; можливість спектрального і просторового мультиплексування чутливих елементів, розташованих в одному або в кількох світловодах, значну відстань до місця проведення вимірювань, малий час відгуку на зміну вимірюваної величини, високу корозійну і радіаційну стійкість, малі габарити і масу.
Резонансна довжина хвилі брегівських граток γBGзалежить від температури світловода і від прикладених до нього механічних напруг розтягування та стискання. Ця залежність описується наступним рівнянням:
де ΔT – зміна температури; ε – прикладена механічна напруга; pij – коефіцієнти пружно-оптичного тензора; ν – коефіцієнт Пуассона; а – коефіцієнт теплового розширення кварцового скла; n – ефективний показник заломлення основної моди. Це співвідношення дає типові значення γBGзалежно від температури
Ця обставина лежить в основі використання волоконних брегівських граток (ВБР) як чутливих елементів датчиків фізичних величин.
Запропонована велика кількість способів вимірювання зміщення γBG. Найбільш прямим із них є вимірювання спектра пропускання/відбивання гратки за допомогою широкосмугового джерела випромінювання і спектроаналізатора або за допомогою вузькосмугового лазера, здатного переналаштовуватись, і фотоприймача. Такий спосіб є нечутливим до оптичних втрат, які можуть виникати в оптичному тракті при проведенні вимірювань, і забезпечує високу точність вимірювань γBG. Разом із тим така схема реєстрації використовує достатньо дороге обладнання і має обмежену швидкодію.
Вищу швидкодію забезпечують схеми вимірювань, в яких спектральний зсув гратки перетворюється в зміну інтенсивності оптичного сигналу, що потрапляє на фотоприймач. Це може бути реалізовано, наприклад, при використанні додаткового спектрального фільтру з похилою характеристикою пропускання. Таким фільтром, зокрема, може бути інша волоконна брегівська гратка. Нахил спектральної залежності фільтру задає динамічний діапазон і чутливість волоконного датчика.
Вказані схеми дозволяють виміряти фізичну величину в місці знаходження ВБР, разом з тим часто виникає потреба вимірювання просторового розподілу цієї величини. Для цього були розроблені схеми, що дозволяють мультиплексувати чутливі елементи, зокрема розташовані в одному світловоді. До таких схем слід віднести:
– спектральне мультиплексування каналів, за якого чутливі елементи рознесені на різні довжини хвиль;
– використання оптичних перемикачів, що підключають той чи інший чутливий елемент до системи вимірювання;
– просторово-часове мультиплексування, за якого відгук від кожної з ґраток реєструється в різні моменти часу;
– комбіновані схеми, що включають в себе декілька принципів мультиплексування каналів, перерахованих вище.
Перераховані схеми вимірювання γBG, як правило, забезпечують точність вимірювання температури ± 0,1°С і відносного видовження –10-6 .
Я
к приклад розглянемо квазірозподілену систему вимірювання температури і деформації об'єктів, розроблену в Центрі волоконної оптики ІОФ РАН під керівництвом академіка Е. М. Діанова (рис. 1).
Рис. 1. Квазірозподілена система вимірювання температури і деформації об'єктів
Широкосмуговий сигнал від напівпровідникового джерела світла 3 за допомогою волоконно-оптичного розщеплювала 2 поступає у волоконну вимірювальну лінію 1. Відбитий ґратками сигнал через той самий розщеплювач поступає на оптичний аналізатор спектра 4. Персональний комп'ютер 5 через визначені проміжки часу зчитує спектр і обробляє його за допомогою спеціальної програми.
Система побудована на основі спектрального мультиплексування окремих каналів, кожний з яких є спектром відбивання однорідної волоконної брегівської ґратки завдовжки 5мм. Максимум відбивання від ґратки залежить від температури і деформації світловода. За зміщенням резонансних довжин хвиль ґраток за допомогою спеціально розробленого програмного забезпечення встановлюється температура і деформація об'єкта.
Система містить 12 ґраток, що дозволяє вимірювати температуру і деформацію в шести рознесених в просторі точках об'єкту. Спектр відбивання наведений на рис. 2.
Рис.2. Спектр відбивання серії волоконних брегівських ґраток у системі вимірювання температури і деформації
ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ БІОМЕДИЧНІ ДАТЧИКИ
Волоконно-оптичні датчики містять джерело світла, оптичне волокно, зовнішній датчик, і фотодетектор. Вони мають чутливість шляхом виявлення модуляції одного або більше властивостей світла, які керуються інтенсивністю всередині волокна, наприклад довжини хвилі або поляризації. Модуляція виробляється прямим і відтвореним чином від зовнішнього обурення, викликаного фізичним параметром, величина якого повинна вимірюватись. Вимірюваний параметр, який нас цікавить виводиться з виявлених змін у світлових параметрах.
Існують два основних типи волоконно-оптичних датчиків. Зовнішні пристрої, які працюють завдяки передачі сигналу до датчику, в той час як внутрішні пристрої цього не роблять (див. Рис. 3).
У внутрішньому датчику, світло ніколи не виходить з волокна і вимірюваний параметр впливає на властивості світла, що поширюється вздовж волокна, діючи безпосередньо на саме волокно. В зовнішньому датчику, збудження діє на перетворювач і оптичне волокно просто пропускає світло з місця перехоплення. Багато різних волоконно-оптичних механізмів датчиків були продемонстровані вже промисловими зразками , а деякі для біомедичного застосування , серед яких волоконні брегівські решітки (ВБР), Фабрі-Перо порожнини або торцеві волоконно-оптичні інтерферометри Фабрі-Перо (EFPI), інтерферометр Саньяка, інтерферометр Маха-Цандера, та інші. До цих пір найбільш поширені, ті що засновані на інтерферометрі Фабрі-Перо і брегівських решітках. Також поширені спектроскопічні датчики, які базуються на поглинанні світла і флуоресценції. Біомедичні ВОД можна розділити на чотири основні типи: фізичні, хімічні, біологічні та візуалізаційного призначення (табл. 1).
Р
ис. 3. Схема, зовнішнього пристрою (а), внутрішнього пристрою (б)
Фізичні датчики вимірюють різні фізіологічні параметри, як температура тіла, кров'яний тиск, і переміщення м'язів. Датчики призначені для візуалізації охоплюють, як ендоскопічні прилади для внутрішнього спостереження та обробки зображень, а також для більш просунутих методик, таких як оптична когерентна томографія і фотоакустична візуалізація, де внутрішні сканування і візуалізація можуть бути зроблені не інтрузивно (тобто з мінімально можливою ступеню проникнення).
Хімічні сенсори базуються на флуоресценції, спектроскопічних методах і індикаторах для виявлення та визначення наявності певних хімічних сполук і метаболічних змінних (таких як рН, кисню в крові, або рівень глюкози). Вони виявляють специфічні хімічні домішки для діагностичних цілей, а також контролюють хімічні реакції організму і активність.
Біологічні сенсори мають тенденцію бути більш складним і базуються на біологічних реакціях таких як розпізнання ферменту-субстрату, антиген-антитіло або ліганд-рецептор для ідентифікації і кількісної оцінки конкретних біохімічних молекул, що представляють інтерес.
З точки зору розвитку датчика, базові візуалізаційні датчики є найбільш розвиненими. Волоконно-оптичні датчики для вимірювання фізичних параметрів наступні. І найменш розвинена область в плані успішності сенсорних продуктів, є датчики для біохімічного зондування.
Висновки
Оптичне волокно широко використовується в медичній сфері діагностики та лікування.
У волоконно-оптичних датчиках оптичне волокно може бути застосоване просто як лінія передачі, а може відігравати роль самого чуттєвого елемента датчика.
В таких датчиках використовуються: чутливість волокна до електричного поля (ефект Керра), магнітного поля (ефект Фарадея), до вібрації, температури, тиску, деформаціям (наприклад, до вигину). Багато різних волоконно-оптичних механізмів датчиків були продемонстровані вже промисловими зразками , а деякі для біомедичного застосування , серед яких волоконні брегівські решітки (ВБР), Фабрі-Перо порожнини або торцеві волоконно-оптичні інтерферометри Фабрі-Перо (EFPI), інтерферометр Саньяка, інтерферометр Маха-Цандера, та інші.
Сенсор на основі оптичних хвилеводів – це датчик фізичних величин, в конструкції якого як чутливий елемент і середовище, що передає оптичне випромінювання, використовують оптичний хвилевод. Чутливий елемент сенсора перетворює певну фізичну дію в зміну властивостей випромінювання, яке пройшло, відбилося або розсіялося.
Принцип дії хвилеводних сенсорів можна розділити на групи відповідно до того, який параметр оптичної хвилі вимірюється для отримання інформації про фізичну дію: інтенсивність, фаза, стан поляризації, спектральний або модовий склад випромінювання.
Основні переваги: захищеність від дії електромагнітних полів, високу чутливість, надійність, відтворюваність і широкий динамічний діапазон вимірювань; можливість спектрального і просторового мультиплексування чутливих елементів, розташованих в одному або в кількох світловодах, значну відстань до місця проведення вимірювань, малий час відгуку на зміну вимірюваної величини, високу корозійну і радіаційну стійкість, малі габарити і масу.